下地幔條件下MgSiO3鈣鈦礦的物性研究.pdf

1、高溫高壓物理是研究高溫高壓極端條件下物質(zhì)行為的一門學(xué)科，在高壓極端條件下，物質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出迥異的力、熱、電、光等性質(zhì)。地幔的熱力學(xué)對(duì)流與地幔的組分和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。但是以人們目前的技術(shù)而言，還不能直接獲取地幔物質(zhì)進(jìn)行研究，只能通過其它方法反演地幔尤其是下地幔的物質(zhì)組成。而高溫高壓技術(shù)能夠模擬地球內(nèi)部溫度和壓強(qiáng)環(huán)境，為探索地球深部的物質(zhì)組成提供了重要的方法和途徑。
　　根據(jù)地球物理、地球化學(xué)、礦物學(xué)等方面的研究，現(xiàn)已公認(rèn)下地幔的主要物

2、質(zhì)是硅酸鎂鈣鈦礦，化學(xué)式為(Mg,Fe2+,Fe3+)(Si,Al)O3，因此硅酸鎂鈣鈦礦的狀態(tài)方程和熱彈性參數(shù)的研究對(duì)于限定下地幔的礦物組分和溫度分布是非常必要的。盡管硅酸鎂鈣鈦礦中含有FeO、Fe2O3,和Al2O3等多種組分，但是MgSiO3所占比例高達(dá)90mol％。因此純MgSiO3鈣鈦礦的狀態(tài)方程和熱彈性的研究對(duì)于限定下地幔的礦物具有重要意義。盡管通過動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)、靜高壓實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算對(duì)MgSiO3狀態(tài)方程進(jìn)行了大量研究，但是仍

3、存在爭(zhēng)議，導(dǎo)致地幔模型存在很大的不確定性。
　　本文選取MgSiO3作為研究對(duì)象，使用大腔體壓機(jī)燒結(jié)的高純MgSiO3頑火輝石作為實(shí)驗(yàn)的初始樣品。利用動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在80-140GPa沖擊壓力的條件下測(cè)量其狀態(tài)方程數(shù)據(jù)。并提出了新的數(shù)據(jù)處理和分析方法，使得MgSiO3的動(dòng)靜高壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到自洽。新的方法的提出不但為動(dòng)高壓下MgSiO3的高壓相變提供了有力判據(jù)，更重要的是為高壓下鈣鈦礦相MgSiO3的狀態(tài)方程準(zhǔn)確獲得提供了重要支持

4、。本文根據(jù)的動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了下地幔溫度和壓強(qiáng)環(huán)境下鈣鈦礦相MgSiO3的狀態(tài)方程和絕熱體積模量，并與根據(jù)地震波數(shù)據(jù)給出的PREM模型進(jìn)行了對(duì)比，為限定下地幔中MgSiO3的含量提供了重要參考。
　　論文主要?jiǎng)?chuàng)新性工作包括以下三個(gè)方面：
　　1、首次以高純MgO和SiO2粉末為原料，人工合成高純度的MgSiO3頑火輝石樣品作為高壓實(shí)驗(yàn)原料進(jìn)行高壓實(shí)驗(yàn)并得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　2、提出一種新的方法來分析

5、高壓下的Hugoniot狀態(tài)方程數(shù)據(jù)，得到初始狀態(tài)為高壓相的Hugoniot狀態(tài)方程。重新得出的Hugoniot參數(shù)為：C0=7.973km/s，λ=1.321，熱力學(xué)參數(shù)K0S和K0'S與靜高壓結(jié)果非常一致。這進(jìn)一步說明動(dòng)靜高壓試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是自洽的。
　　3、根據(jù)得出的Hugoniot狀態(tài)方程計(jì)算出下地幔溫壓環(huán)境下MgSiO3鈣鈦礦的物態(tài)方程，并與PREM模型進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)純MgSiO3鈣鈦礦的密度小于下地幔的密度。說明下地幔